CN113933933B - 优化弯曲波导的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种优化弯曲波导的制备方法及其应用。该优化弯曲波导的制备方法，包括：利用预设非线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第一部分，以得到第一弯曲波导；利用预设线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第二部分，以得到第二弯曲波导；以预设直线为对称轴，获得与电子束曝光所需图形第一部分对称的电子束曝光所需图形第三部分，以得到第三弯曲波导；第一部分、第二部分以及第三部分组合形成电子束曝光所需图形，并通过电子束曝光工艺形成优化弯曲波导；其中，在优化弯曲波导中，第二弯曲波导一端与第一弯曲波导末端相连，第三弯曲波导一端与第二弯曲波导另一端相连。

Description

优化弯曲波导的制备方法及其应用

技术领域

本公开涉及光子集成电路领域，尤其涉及一种优化弯曲波导的制备方法及其应用。

背景技术

用于光互连的光子集成电路(PIC)在光计算、通信等领域备受关注。硅光子学已广泛用于光子集成电路平台，并展示了各种大规模光子集成电路。在这些PIC中，硅波导用于信号传输，并且有很多波导弯曲和交叉来形成电路。对于几微米的弯曲半径，单模硅波导的正常90°波导弯曲的典型损耗约为0.01dB。虽然该值已经很低，但如果有数百个弯曲，总弯曲损耗将变成几个dB。因此，如果可能的话，未来的大规模PIC需要进一步降低弯曲损耗。

公开内容

有鉴于此，为了能够至少部分地解决上述问题，本公开提供了一种优化弯曲波导的制备方法及其应用。

为了实现上述目的，本公开的一个方面提供了一种优化弯曲波导的制备方法，包括：

利用预设非线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第一部分，以得到第一弯曲波导；

利用预设线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第二部分，以得到第二弯曲波导；

以预设直线为对称轴，获得与电子束曝光所需图形第一部分对称的电子束曝光所需图形第三部分，以得到第三弯曲波导；

第一部分、第二部分以及第三部分组合形成电子束曝光所需图形，并通过电子束曝光工艺形成优化弯曲波导；

其中，在优化弯曲波导中，第二弯曲波导一端与第一弯曲波导末端相连，第三弯曲波导一端与第二弯曲波导另一端相连。

根据本公开的实施例，其中，预设非线性曲率弯曲关系为曲率

随着曲线长度t的增加呈根号增长，

R为曲率半径。

根据本公开的实施例，其中，电子束曝光所需图形第一部分两端的切线所形成的锐角夹角为θ，

a为优化弯曲波导所对应的弯曲角度，p为在弯曲角度a中所占的比例。

根据本公开的实施例，其中，a＝90°，p＝10～100％。

根据本公开的实施例，其中，根据a、p的值得到电子束曝光所需图形第一部分上各点在平面坐标x、y中对应的坐标(x,y)，具体包括：

其中，t_max为电子束曝光所需图形第一部分从起点到终点的总长度；R₀的大小由参考半径R_eff的大小决定，R_eff为参考半径，R₀为常数；b＝p*a/2。

根据本公开的实施例，其中，R_eff＝4；R₀＝2.929。

根据本公开的实施例，其中，预设线性曲率弯曲关系为曲率为

的正常弯曲，R_min由电子束曝光所需图形第三部分末端坐标位置以及正常弯曲所对应的角度决定。

根据本公开的实施例，其中，正常弯曲所对应的角度为a(1-p)。

根据本公开的实施例，其中，预设直线为y＝-x+R_eff。

本公开的另一方面提供了优化弯曲波导的制备方法在制备光学元器件方面的应用。

从上述技术方案可以看出，本公开提供了具有以下技术效果：

(1)本公开实施例提供的优化弯曲波导的制备方法，从弯曲路径的设计入手，降低以往欧拉弯曲因弯曲的辐射损耗较大而造成的损耗问题；

(2)本公开实施例提供的优化弯曲波导的制备方法，由于输入/输出位置和占位面积与正常弯曲相同，所以优化弯曲可以在PIC中用作常规弯曲，减少未来大规模PIC的弯曲损耗；

(3)本公开实施例提供的90°优化弯曲波导的制备方法，降低了90°弯曲波导的传输损耗，参考半径为4μm时，90°弯曲波导损耗为目前现有技术的最低损耗的36.5％；

(4)本公开实施例提出的优化弯曲除了可以直接应用于90°弯曲波导，还可用于微环谐振器，Y分支等光学元器件的低损耗优化。

附图说明

图1示意性示出了现有技术中由欧拉曲线和正常弯曲曲线组成的90°弯曲波导曲线示意图；

图2示意性示出了本公开实施例优化弯曲波导的制备方法的流程图；

图3示意性示出了本公开实施例根据曲率和弯曲长度在不同关系时，通过matlab仿真得到的曲线示意图；

图4示意性示出了本公开另一实施例根据90°优化弯曲波导曲线所占的比例不同时，通过matlab仿真得到的优化弯曲波导曲线示意图；

图5示意性示出了本公开另一实施例根据90°优化弯曲波导曲线所占的比例为100％，输入光波长为1550nm时，通过FDTD软件仿真得到的模场传输图；

图6示意性示出了本公开另一实施例根据优化弯曲波导曲线的方法工艺加工后，90°优化弯曲波导曲线所占的比例为50％时，得到的优化弯曲波导SEM图的侧视图(a)、横斜面图(b)以及俯视图(c)。

【附图标记说明】

1-第一弯曲波导；2-第二弯曲波导；3-第三弯曲波导。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

研究显示，为了减少弯曲损耗，提出了一些方法。比如，用样条曲线和正常弯曲拼接以便于平滑连接输入/输出端和弯曲波导。正常弯曲意味着输入和输出直波导通过具有恒定曲率的弯曲波导连接。样条曲线的长度增加时波导损耗会降低，这是因为输入输出波导和弯曲波导连接处更加平滑，过渡更加平稳。但是样条曲线的使用使得90°弯曲的尺寸不固定，并且尺寸比恒定曲率的弯曲波导大，这是我们不希望看到的。再比如，从理论上提出了TIR镜和外沟槽的方法，它们都是通过减少场泄漏到波导外部来减少弯曲损耗的。然而，除了形成硅波导之外，这些方法还需要额外的制造工艺。

近年来，欧拉曲线被用于减少直波导和正常弯曲波导之间的耦合损耗。由于欧拉曲线的曲率从零开始线性增加，欧拉曲线能够实现直波导和正常弯曲波导之间的平滑连接，在硅波导弯曲中的应用也得到了证明。经研究显示，在光学延迟线中使用欧拉曲线的S弯曲波导；还有由100％欧拉曲线组成的相对较大的弯曲半径(20μm)硅波导L-bend被纳入Si-PIC，用于测量波导损耗。如图1所示，一种由欧拉曲线和正常弯曲组成的新型90°弯曲波导曲线，最终降低了弯曲损耗。其中，图1中A是一个常数，称为欧拉参数。欧拉曲线的终点具有最小曲率半径R_min，曲线的长度为L_max。输入处的欧拉曲线通过曲率为1/R_min的正常弯曲连接到90°弯曲波导曲线输出处的对称欧拉曲线。因此，弯曲的起点和终点是(0，0)和(R_eff，R_eff)。欧拉曲线的比例可以通过改变A从0到100％变化。换言之，由100％欧拉曲线组成的弯曲波导并不是最优的，欧拉曲线和正常弯曲结合使用对于最终降低弯曲损耗至关重要。他们所提出的弯曲是在互补金属氧化物半导体(CMOS)平台上制造的，R＝4μm的弯曲损耗为0.002dB/90°，是固定曲率的1/10。

弯曲波导的损耗主要有三个方面，分别是弯曲的光学模式分布引起的损耗(以及它在输入和输出连接处与直波导模式的不匹配)、弯曲的辐射损耗(即传播常数的虚部)和侧壁粗糙度引起的散射损耗，前两者取决于曲率半径，后者取决于波导横截面的形状以及波导材料等因素。

为此，为了集中解决曲率半径的问题，我们从弯曲路径的设计入手，提供的优化弯曲波导的制备方法，降低了以往欧拉弯曲因弯曲的辐射损耗较大而造成的损耗问题；并将损耗更低并且输入/输出位置和占位面积与正常弯曲相同的弯曲波导，称之为优化弯曲波导。

下面示意性举例说明优化弯曲波导的制备方法。需要说明的是，该举例说明只是本公开的具体实施例，并不能限制本公开的保护范围。

图2示意性示出了本公开实施例优化弯曲波导的制备方法的流程图。

如图2所示，该制备方法包括操作S201～S204。

在操作S201，利用预设非线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第一部分，以得到第一弯曲波导。

根据本公开的实施例，预设非线性曲率弯曲关系为曲率

随着曲线长度t的增加呈根号增长，

R为曲率半径。

需要说明的是，曲线长度t所表示的是电子束曝光所需图形第一部分曲线的长度；曲率半径R表示为从参考半径R_eff变化到R_min的变化值。

根据本公开的实施例，电子束曝光所需图形第一部分两端的切线所形成的锐角夹角为θ，

a为优化弯曲波导所对应的弯曲角度，p为在弯曲角度a中所占的比例。

根据本公开的实施例，例如a可以为a＝90°，p＝10～100％，其中p例如可以为但不限于：10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。

根据本公开的实施例，根据a、p的值得到电子束曝光所需图形第一部分上各点在平面坐标x、y中对应的坐标(x，y)，具体包括：

其中，t_max为电子束曝光所需图形第一部分从起点到终点的总长度；R₀的大小由参考半径R_eff的大小决定；b＝p*a/2。

根据本公开的实施例，例如可以为R_eff＝4；R₀＝2.929。

在操作S202，利用预设线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第二部分，以得到第二弯曲波导。

根据本公开的实施例，预设线性曲率弯曲关系为曲率为

的正常弯曲，R_min由电子束曝光所需图形第三部分末端坐标位置以及正常弯曲所对应的角度决定。

根据本公开的实施例，正常弯曲所对应的角度为a(1-p)。

需要说明的是，正常弯曲就是指半径为定值R_min的圆弧。

在操作S203，以预设直线为对称轴，获得与电子束曝光所需图形第一部分对称的电子束曝光所需图形第三部分，以得到第三弯曲波导。

根据本公开的实施例，预设直线为y＝-x+R_eff。

在操作S204，第一部分、第二部分以及第三部分组合形成电子束曝光所需图形，并通过电子束曝光工艺形成优化弯曲波导。

根据本公开的实施例，例如可以是根据该预设非线性曲率弯曲关系、预设线性曲率弯曲关系以及预设直线为y＝-x+R_eff进行编程，输入matlab软件，然后通过运行该编程后得到弯曲图形，导出图形所对应的坐标文件，经过处理得到电子束曝光所需图形，将该图形通过电子束曝光工艺形成优化弯曲波导。

根据本公开的实施例，根据上述公式(1)～(3)，可以得到45°角度内在优化弯曲波导所对应的弯曲角度中所占比例p的曲线。想要实现90°的弯曲只需要将这条曲线关于y＝-x+R_eff这条曲线做对称，并且中间的部分由圆弧连接，即可得到一个完整连接的90°弯曲波导。

需要说明的是，在优化弯曲波导中，第二弯曲波导一端与第一弯曲波导末端相连，第三弯曲波导一端与第二弯曲波导另一端相连。

根据本公开的实施例，与欧拉弯曲的核心是曲线的曲率随着曲线长度的增加呈线性增长相比，本公开并不是完全采用第一弯曲波导和第三弯曲波导，而是将它和正常弯曲第二弯曲波导结合起来，降低以往欧拉弯曲因弯曲的辐射损耗较大而造成的损耗问题。

图3示意性示出了本公开实施例根据曲率和弯曲长度在不同关系时，通过matlab仿真得到的曲线示意图。

如图3所示，正常弯曲用点划线表示，其中点划线代表的曲线，其曲率是固定的，并不随着弯曲长度的改变而改变；优化弯曲用实线表示，其中实线代表的曲线，其曲率是曲线长度的平方根；欧拉弯曲用虚线表示，其中虚线代表的曲线，其曲线曲率随曲线长度呈线性变化。实线介于点画线和虚线之间。对于三条曲线而言，坐标(0，0)和坐标(4，4)是衔接直线(直波导)与弯曲部分的转折点。正常弯曲(点划线)的曲率从坐标(0，0)之前的曲率为0(直线曲率为0)突然过渡到固定曲率1/4，以及从(4，4)处的曲率为1/4突然过渡到之后的曲率为0(直线曲率为0)，在这两处会产生很大的模式转换损失。欧拉曲线(虚线)的曲率随着曲线长度呈线性变化，即从(0，0)处的0逐渐增大，之后再逐渐减小，到坐标(4，4)处曲率将为0。这个变化使得衔接处的模式转换损耗降低，但这种改变也使得实现模式的90°拐弯的任务集中在了欧拉曲线的中点，增大了弯曲的辐射损耗。优化弯曲(实线)，它既没有让曲率直接阶跃变化，也没有像欧拉弯曲那样把90°转弯的任务集中到了弯曲的中点，造成较大的弯曲辐射损耗，将正常弯曲和欧拉弯曲各自存在的两种主要损耗进行了平衡。

图4示意性示出了本公开另一实施例根据90°优化弯曲波导曲线所占的比例不同时，通过matlab仿真得到的优化弯曲波导曲线示意图。

如图4所示，当p＝50％时，利用预设非线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第一部分，以得到第一弯曲波导1；利用预设线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第二部分，以得到第二弯曲波导2；以预设直线为对称轴，获得与电子束曝光所需图形第一部分对称的电子束曝光所需图形第三部分，以得到第三弯曲波导3；第一部分、第二部分以及第三部分组合形成电子束曝光所需图形，并通过电子束曝光工艺形成优化弯曲波导；其中，在优化弯曲波导中，第二弯曲波导2一端与第一弯曲波导1末端相连，第三弯曲波导3一端与第二弯曲波导2另一端相连。当p为0时，明显弯曲波导曲线弯曲较缓，损耗降低。

根据本公开的另一实施例，根据在优化弯曲波导所对应的弯曲角度中所占比例为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，输入光波长为1550nm，参考半径R_eff为4μm，a为90°时，通过FDTD仿真得到对应的弯曲损耗表，如下表1所示，当在优化弯曲波导所对应的弯曲角度中所占比例达到50％时，得到的90°弯曲损耗的值最小，为0.00073dB，即0.00073dB/90°。

表1

比例p	透过率	传输损耗(dB)
			0	0.99743	0.01118
0.1	0.998876	0.00488
			0.2	0.999324	0.00294
0.3	0.995587	0.01921
			0.4	0.99689	0.01353
0.5	0.999833	0.00073
			0.6	0.999654	0.0015
0.7	0.999455	0.00237
			0.8	0.999327	0.00292
0.9	0.999374	0.00272
			1	0.99939	0.00265

根据本公开的另一实施例，提供的90°优化弯曲波导的制备方法，降低了90°弯曲波导的传输损耗，参考半径R_eff为4μm时，90°弯曲波导损耗为目前现有技术的最低损耗的36.5％。

需要说明的是，当曲线的曲率和曲线的路径长度的平方呈正比时，一个100％是平方关系的90°弯曲所得到的波导，进行仿真得到的弯曲损耗为0.02801dB，即0.02801dB/90°，透过率为0.993571。相比本公开所得到的在优化弯曲波导所对应的弯曲角度中所占比例为100％时，90°弯曲损耗大，且透过率相对低。

根据本公开的实施例，对上述优化弯曲波导的制备方法得到的优化弯曲波导进行了工艺加工，例如工艺加工步骤可以是如下步骤：

(1)将SOI片划片成面积为20mm*19mm的方形，放入浓硫酸：双氧水体积比为3：1的混合溶液中，150℃加热20min(SOI片可以为顶硅210nm，中间层二氧化硅可以为2μm，底层硅衬底可以为725μm)，去离子水冲洗，去除片子表面的有机物及金属颗粒；

(2)放入氢氟酸：水为1：19的溶液中30s，去离子水冲洗，清洗自然氧化层；

(3)放入氨水：过氧化氢：水为0.2：1：6的溶液中，86℃水浴10min，去除有机物和颗粒；

(4)放入盐酸：过氧化氢：水为1：1：5的溶液中，86℃水浴10min，去除金属；

(5)去离子水冲洗，氮气吹干；

(6)进行反应离子刻蚀(RIE)顶硅，刻到顶硅层同二氧化硅层的分界面，深度为210nm；

(7)放入丙酮溶液中20min，去除电子束胶掩膜；

(8)放入乙醇溶液、去离子水中清洗，氮气吹干；

(9)对样片端面进行切割、磨抛；

(10)测试由多个90°弯曲连接起来的硅光波导的传输损耗。

根据本公开的实施例，对上述优化弯曲波导的制备方法得到的优化弯曲波导进行了工艺加工后，得到如图6所示的90°优化弯曲波导曲线所占的比例为50％时，得到的优化弯曲波导SEM图的侧视图(a)、横斜面图(b)以及俯视图(c)。

根据本公开的实施例，由于输入/输出位置和占位面积与正常弯曲相同，所以优化弯曲可以在PIC中用作常规弯曲，减少未来大规模PIC的弯曲损耗。

本公开还提供了上述优化弯曲波导的制备方法在制备光学元器件方面的应用。

根据本公开的实施例，优化弯曲除了可以直接应用于90°弯曲波导，还可用于微环谐振器，Y分支等光学元器件的低损耗优化。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种优化弯曲波导的制备方法，其特征在于，包括：

利用预设非线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第一部分，以得到第一弯曲波导；

利用预设线性曲率弯曲关系获得电子束曝光所需图形第二部分，以得到第二弯曲波导；

以预设直线为对称轴，获得与所述电子束曝光所需图形第一部分对称的电子束曝光所需图形第三部分，以得到第三弯曲波导；

所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分组合形成所述电子束曝光所需图形，并通过电子束曝光工艺形成所述优化弯曲波导；

其中，在所述优化弯曲波导中，所述第二弯曲波导一端与所述第一弯曲波导末端相连，所述第三弯曲波导一端与所述第二弯曲波导另一端相连；

其中，所述预设非线性曲率弯曲关系为曲率

随着曲线长度t的增加呈根号增长，

R为曲率半径；

其中，所述电子束曝光所需图形第一部分两端的切线所形成的锐角夹角为θ，

a为优化弯曲波导所对应的弯曲角度，p为在弯曲角度a中所占的比例；

根据所述a、p的值得到所述电子束曝光所需图形第一部分上各点在平面坐标x、y中对应的坐标(x,y)，具体包括：

其中，t_max为电子束曝光所需图形第一部分从起点到终点的总长度；R₀的大小由R_eff的大小决定，R_eff为参考半径，R₀为常数；b＝p*a/2；

所述预设线性曲率弯曲关系为曲率为

的正常弯曲，R_min由电子束曝光所需图形第三部分末端坐标位置以及所述正常弯曲所对应的角度决定。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述a＝90°，p＝10～100％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，R_eff＝4；R₀＝2.929。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述正常弯曲所对应的角度为a(1-p)。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述预设直线为y＝-x+R_eff。

6.根据权利要求1～5任一项所述的优化弯曲波导的制备方法在制备光学元器件方面的应用。

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